海星管足中螺旋纤维排列的力学优势机制及其对液压骨骼功能进化的启示

研究人员针对液压骨骼(hydrostatic skeleton)力学机制不明确的问题，开展了海星管足(tube feet)的力学建模研究。通过分析两腔室（壶腹ampulla与茎部stem）的几何形态变化，发现机械优势(MA)随茎部伸展呈现先增后减趋势，当交叉螺旋纤维角度接近54.7○临界值时轴向力归零。该研究揭示了螺旋纤维排列对液压骨骼力学输出的调控机制，为棘皮动物运动模式提供了新解释。

　　

液压骨骼(hydrostatic skeleton)这种通过软体传递机械力的结构在动物界广泛存在，但其力学机制仍知之甚少。最新研究以海星管足(tube feet)这一相对简单的液压骨骼为模型，揭示了其独特的力学特性。

管足通过壶腹(ampulla)和茎部(stem)两个腔室的压力传递产生推进力，这种结构实际上构成了一个复合机械装置，其机械优势(MA)会随着腔室几何形态动态变化。数学模型分析显示：当茎部伸展时，MA会经历先上升后下降的过程，最终在完全伸展时归零。这种力学崩溃现象源于茎部交叉螺旋纤维的缠绕角度——当接近54.7^○这个临界角度时，纤维产生的力分量恰好平衡了压力产生的环向力和纵向力。

有趣的是，虽然完全伸展时无法产生轴向力，但弯曲的管足仍能通过改变弯曲度产生垂直于轴向的力，这些力形成的扭矩足以推动海星身体前进。这一理论预测与实际的管足运动学观察高度吻合。该研究不仅为理解棘皮动物运动机制提供了新框架，更揭示了螺旋纤维排列在液压骨骼功能进化中的关键作用。